Mali-D77: ARMs Display-Block macht autarke VR-Headsets besser

Die Mali-D77 ist eine Display Processing Unit, die der Grafikeinheit eines VR-Headset-Chips einiges an Arbeit abnimmt: ARMs DPU berechnet den Async Timewarp, die Vorverzerrung für die Linsen und entfernt chromatische Aberration. Dadurch steigt die Bildrate und sinkt die Latenz.

Artikel veröffentlicht am 15. Mai 2019, 17:00 Uhr, Marc Sauter

Mali-D77 (Bild: ARM)

Passend zur Display Week 2019 im kalifornischen San José hat ARM die Mali-D77 vorgestellt: Die Display Processing Unit (DPU) ist für den Einsatz in Systems-on-a-Chip gedacht, die für VR-Headsets verwendet werden - beispielsweise für einen Nachfolger des Oculus Quest (Test). Die DPU entlastet die Grafikeinheit des SoC, was zu einem deutlich besseren VR-Erlebnis führen soll.

Die Mali-D77 ist eine erweiterte Komeda-Version der Mali-D71 alias Cetus und wird mit CPU-Kernen sowie GPU in einem Chip per Interconnect verknüpft. Der Display-Block ist nicht zwingend für VR-Headsets ausgelegt, auch Highend-Smartphones sieht ARM als Ziel an. Für Stand-alone-Head-mounted-Geräte geht ARM davon aus, dass von aktuell 2.880 x 1.440 Pixeln mit 90 Hz wie beim Oculus Quest schon 2020 höhere 4.320 x 2.160 Pixel bei 90 Hz oder 3.600 x 1.800 bei 120 Hz zum Standard werden, 2021 dann gar 4.210 x 2.560 Pixel bei 120 Hz mit 10 Bit statt 8 Bit pro Farbkanal.

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Präsentation zur Mali-D77 (Bild: ARM)

Hierbei ist wichtig zu wissen, dass die Auflösung an sich nur bedingt etwas über die Bildqualität aussagt: Es kommt darauf an, wie die Subpixel arrangiert sind, denn eine RGB-Matrix ist deutlich feiner als eine Pentile-Matrix. Zusätzliche Pixel bedeuten zudem nicht zwingend einen höheren Füllfaktor, wenngleich meistens. Der Pixelfüllfaktor entscheidet am Ende, wie ausgeprägt der Fliegengitter-Effekt (Screendoor) ausfällt, also die schwarzen Zwischenräume zwischen den Pixeln. Mehr Bildpunkte müssen überdies nicht nativ berechnet werden, ein guter Scaler kann auch gröbere Inhalte hochskalieren, die dann dank der Panel-Auflösung und dem Pixelfüllfaktor besser aussehen als auf einem VR-Headset mit geringerer, aber nativer Auflösung.

Ungeachtet dessen wird bei VR-Berechnungen die Grafikeinheit stark beansprucht: Neben dem eigentlichen Rendering übernimmt die GPU noch den Asynchronous Timewarp für eine möglichst korrekte Kopfposition und die Vorverzerrung des Bildes für die Linsen, damit der Nutzer keine unförmigen Bilder sieht. Das kostet laut ARM etwa 15 Prozent an Taktzyklen der GPU, die dann beim Rendering fehlen und die Latenz erhöhen. Obendrein muss die Grafikeinheit ihre Daten aus dem Arbeitsspeicher lesen und schreiben, was die Leistungsaufnahme des System-on-a-Chip erhöht und wichtige Bandbreite belegt, die dann der GPU neben den Taktzyklen ebenfalls fehlt.

An dieser Stelle kommt die Mali-D77 als Display Processing Unit in Spiel: Sie übernimmt anstelle der Grafikeinheit den Asynchronous Timewarp und Vorverzerrung. Das spart laut ARM rund 180 mW pro gerendertem VR-Layer in 1.024 x 1.024 Pixel pro Auge bei 90 Hz, was bei 1,6 Watt für das SoC und den DRAM eine Menge ist. Vor allem die Speicherzugriffe kosten viel Energie, überdies steigt die Bandbreite bei Nutzung der Mali-D77 dem Hersteller zufolge um satte 40 Prozent. Somit profitiert die Grafikeinheit doppelt: Sie hat zusätzliche Taktzyklen zur Verfügung und mehr statt weniger Bandbreite - und die ist ohnehin sehr knapp. Sinkt die Frequenz 1.024 x 1.024 Pixel pro Auge auf 60 Hz, verringert sich die Differenz bei der Leistungsaufnahme, sie bleibt aber signifikant.

Eine weitere Funktion der Mali-D77 ist der Ausgleich von chromatischer Aberration. Die Linsen brechen das Licht in seine einzelnen Spektralfarben, was zu Farbfehlern führt. ARM geht dagegen in Hardware vor, unterstützt von Firmware, um auf verschiedene Panel-Typen reagieren zu können.